Sử dụng IP cho mạng di động thế hệ mới

Sử dụng IP cho mạng di động thế hệ mới

Trường đại học Bách khoa hà nội

-o0o -

Luận văn thạc sĩ khoa học

Sử dụng IP cho mạng di động thế hệ mới

Ngành: Xử lý thông tin và truyền thông M∙ số:

Phạm thị thanh huyền

Người hướng dẫn khoa học: TS PHạm Huy Hoàng

Hà nội 2006

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Chữ viết tắt Tiếng Anh 1 3GPP 3rd Generation Partnership Project 2 ATM Asynchronous Transfer Mode 3 CDMA Code division multiple access 4 CN Correspondant Node 5 COA Care-Of-Address

6 DHCP Dynamic Host Configuration Protocol 7 EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution 8 FA Foreign Agent

16 GSM Global System for Mobile Communications 17 HA Home Agent

18 HN Home network 19 HN Home network

20 HSCSD High-Speed Circuit-Switched Data 21 ICMP Internet Control Message Protocol 22 ICMP Internet Control Message Protocol 23 IETF Internet Engineering Task Force

24 IETF Internet Engineering Task Force

25 IMT-2000 International Mobile Telecommunications-2000 26 IP Internet Protocol

27 MIP Mobile Internet Protocol 28 MN Mobile Node

29 MN Mobile Node

30 MTU Maximum Transfer Unit 31 NGN Next Generation Network 32 NLA Next level gregator 33 PSDN Packet Data Serving Node 34 TDMA Time Division Multiple Access 35 TTL Time to Live

36 UMTS Universal Mobile Telecommunications 37 UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1 Các tham số của cơ chế Dual-Stack

Bảng 4.2 Cấu trúc của phần header IPv4 khi thực hiện tunneling Bảng 4.3 Tóm tắt phương thức lựa chọn cơ chế chuyển đổi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tổng quan về hệ thống vô tuyến Hình 1.2 Các khu vực dịch vụ của IMT-2000 Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống GPRS

Hình 2.1 Kiến trúc mạng Mobile IPv6

Hình 2.2 Minh họa cấu trúc bản tin thông báo Hình 2.3 Minh hoạ thủ tục đăng ký

Hình 2.4 Các xử lý của HA tại đầu vào kênh số liệu Hình 2.5 minh hoạ cấu trúc gói số liệu trong ống dẫn Hình 2.6 Mô tả quá trình mã hoá định tuyến chung

Hình 2.7 Minh họa 4 bản tin: yêu cầu, cập nhật, xác nhận, cảnh báo liên kết Hình 2.8 Phác họa cơ chế hoạt động của MIPv6

Hình 2.9 Luồng vận chuyển của gói tin

Hình 3.1: Tầm địa chỉ IPv4

Hình 3.2 Kích thước bảng định tuyến Hình 3.3 Cấu trúc của gói tin multicast Hình 3.4 IPv6 header

Hình 3.5 Định dạng địa chỉ IPv6 Hình 3.6 Các trường của subnet prefic Hình 3.7 Cấu trúc địa chỉ AGU

Hình 3.8 Phân phối địa chỉ AGU Hình 3.9 IPv6 header

Hình 3.10 IPv4 header

Hình 3.11 Hop-by-hop option header

Hình 3.12 Mô tả một packet gồm một router alert hop-by-hop option Hình 3.13 Routing header

Hình 3.14 Routing header có kiểu định tuyến bằng 0 Hình 3.15 Các gói với routing header

Hình 3.16 Quá trình phân mảnh trong IPv6 Hình 3.17 Fragment header

Hình 3.18 Định dạng của AH

Hình 3.19 AH hoạt động ở transport mode

Hình 3.20 Thứ tự của các header khi áp AH vào tunnel mode Hình 3.21 Định dạng của ESP header

Hình 3.22 Thứ tự của các header trong IPv6 khi hoạt động ở transport mode Hình 3.23 Thứ tự của các header trong IPv6 khi hoạt động ở tunnel mode Hình 4.1 Cơ chế dual IP layer

Hình 4.2 Cấu trúc địa chỉ IPv4-compatible IPv6 Hình 4.3 Cơ chế tunneling

Hình 4.4 Cơ chế đóng gói thực hiện tunnel

Hỡnh 4.5 Cơ chế mở gúi IPv4 khi thực hiện tunnel Hỡnh 4.6 Phõn mảnh và tỏi hợp gúi tin

Hỡnh 4.7 Giao thức MTU discovery

Hỡnh 4.8 Cấu trỳc gúi tin IPv4 đúng gúi theo cơ chế 6to4 Hỡnh 4.9 Cơ chế đúng mở gúi

Hỡnh 4.10 IPv6 tại cỏc hệ thống viễn thụng di động toàn cầu Hỡnh 4.11 Cỏc dịch vụ hỗ trợ IPv6 cho mạng WCDMA2000 Hình 4.12 Quản lý di động trong các hệ thống vô tuyến IPv6

MỞ ĐẦU

Từ những thời gian đầu vào những năm 70 và 80 của Internet và cho đến ngày nay, Internet đã tạo lập cho mình một vị trí thống trị trong truyền thông toàn cầu cho phép tạo ra một số lượng rất đa dạng các ứng dụng máy tính Các ứng dụng Internet hiển nhiên là hết sức cần thiết xét từ góc độ Internet, nhưng tất cả các dự báo đều cho thấy các ứng dụng này cũng trở nên cần thiết với hầu hết các mạng vô tuyến trong tương lai Ngành công nghiệp này cũng đã nhận thức được rất rõ các hạn chế của giao thức IPv4, các nhà cung cấp mạng di động thế hệ sau cũng như các nhà cung cấp thiết bị cho biết họ cần số lượng địa chỉ IP cho hàng triệu thiết bị Một trong những tiêu chí chính của các nhà khai thác mạng di động tương lai là khả năng luôn luôn kết nối với mạng của người sử dụng Điều này đòi hỏi một số lượng lớn địa chỉ IP IPv6 cung cấp thêm nhiều khả năng trong đó đáng chú ý nhất là sự mở rộng về không gian địa chỉ, IPv6 có không gian địa chỉ là 128 bit trong khi IPv4 chỉ sử dụng 32 bit

Việc tổ hợp IPv6 và các hệ thống di động (như GSM/GPRS và UMTS) sẽ giảm thiểu được các vấn đề hiện tại về sự thiếu hụt của cả hai bên IP và mạng di động: thiếu địa chỉ IP, chất lượng dịch vụ và bảo mật trong IP và sự thiếu hụt phổ tần trong mạng di động Bằng cách tổ hợp hai công nghệ này, có thể đảm bảo cung cấp lợi ích tốt nhất cho người sử dụng di động đầu cuối

Trong luận văn này trình bày các vấn đề cần thiết khi đưa IPv6 vào mạng di động tương lai Chương 1 trình bày tổng quan về mạng 3G, chương 2 giới thiệu về mobile IP, chương 3 trình bày về IPv6 và chương 4 đưa ra các giải pháp thực hiện IPv6 trên nền IPv4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 3G 1.1 Lịch sử phát triển

Những hệ thống thông tin di động đầu tiên, nay được gọi là thế hệ thứ nhất (1G), sử dụng công nghệ analog gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) để truyền kênh thoại trên sóng vô tuyến đến thuê bao điện thoại di động Nhược điểm của các hệ thống này là chất lượng thấp, vùng phủ sóng hẹp và dung lượng nhỏ Vào cuối thập niên 1980, các hệ thống thế hệ thứ hai (2G) được đưa vào khai thác sử dụng công nghệ số đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Đến đầu thập niên 1990, công nghệ TDMA được dùng cho hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM ở Châu Âu Đến giữa thập kỷ 1990, đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) trở thành loại hệ thống 2G thứ hai khi người Mỹ đưa ra Tiêu chuẩn nội địa - 95 (IS-95), nay gọi là cdmaOne

Tất cả các hệ thống 2G đều có khả năng cung cấp chất lượng và dung lượng cao hơn Chuyển vùng trở thành một phần của dịch vụ và vùng phủ sóng cũng ngày một rộng hơn, nhưng vẫn phải đối mặt với các vấn đề hạn chế về dung lượng trên nhiều thị trường Thông tin di động ngày nay đang tiến tới một hệ thống thế hệ thứ ba hứa hẹn dung lượng thoại lớn hơn, kết nối dữ liệu di động tốc độ cao hơn và sử dụng các ứng dụng đa phương tiện Các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ 3 (3G) cần cung cấp dịch vụ thoại với chất lượng tương đương các hệ thống hữu tuyến và dịch vụ truyền số liệu có tốc độ từ 144kbit/s đến 2 Mbit/s

Hiện đang có 2 hệ thống tiêu chuẩn hoá: một chuẩn dựa trên hệ thống CDMA băng hẹp IS-95, được gọi là cdma2000 Chuẩn kia là sự kết hợp của các tiêu chuẩn Nhật Bản và Châu Âu do Dự án Hợp tác Thế hệ thứ 3 (3GPP) tổ chức 3GPP đang xem xét tiêu chuẩn vô tuyến tên là truy nhập vô tuyến

Hình 1.1 Tổng quan về hệ thống vô tuyến

mặt đất (UTRA-UMTS Terrestrial Radio Access) UMTS Tiêu chuẩn này có 2 sơ đồ truy nhập vô tuyến Một trong số đó sắp xếp các cặp dải tần thông qua ghép song công phân chia theo tần số (FDD)-thường gọi là CDMA băng thông rộng (WCDMA)

1.1.1 Các kỹ thuật đa truy nhập (FDMA, TDMA VÀ CDMA)

Trước khi xem xét tương lai 3G, cũng cần khảo sát hoạt động của từng giao diện nói trên Thứ nhất, các kênh này được ghép cặp sao cho một kênh đi từ trạm di động đến trạm gốc và kênh kia đi từ trạm gốc đến trạm di động, tạo điều kiện cho liên lạc song công Hình 1.1 minh hoạ giao diện không gian với đường lên và đường xuống Thứ hai, có một tập các kênh điều khiển 2 chiều dùng để điều khiển các kênh thoại Cuối cùng, giao diện không gian cần một quy trình mà ở đó, các kênh thoại được phân bổ cho nhiều người dùng đồng thời FDMA, TDMA và CDMA là các phương thức phân bổ kênh của giao diện không gian

- FDMA là phương thức phân bổ đầu tiên và ra đời sớm nhất Một thuê bao muốn tạo một cuộc gọi sẽ phải nhập số điện thoại cần gọi và nhấn phím gửi

Nếu còn dung lượng thoại cho tế bào, một cặp kênh sẽ được phân bổ cho trạm di động để phục vụ đàm thoại - mỗi kênh cho một chiều thoại Xét trên một sơ đồ phân bổ tế bào điển hình, số chiều thoại tối đa của một tế bào bất kỳ là khoảng 60 Rõ ràng là không thể phục vụ hàng triệu người dùng với một dung lượng hạn chế như thế

- Các hệ thống TDMA khắc phục vấn đề dung lượng kênh bằng cách chia kênh vô tuyến đơn thành các khe thời gian và phân bổ 1 khe thời gian cho mỗi thuê bao Ví dụ, hệ thống TDMA của Hoa Kỳ có 3 khe thời gian trên mỗi kênh trong khi hệ thống GSM có 8 khe thời gian trên mỗi kênh Để sử dụng các khe thời gian, tín hiệu thoại tương tự cần được chuyển sang dạng số Một bộ mã hoá thoại, được gọi là vocoder, thực hiện công việc này Dung lượng có được ban đầu hơi nhỏ song với việc dùng các vocoder tốc độ bít thấp, số kênh thoại trên mỗi kênh vô tuyến có thể được tăng lên đáng kể Công nghệ này đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu ít tốn kém hơn CDMA

- Còn công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA là công nghệ trải phổ cho phép nhiều tần số được sử dụng đồng thời; mã hóa từng gói tín hiệu số bằng một mã khóa duy nhất trước khi đưa lên kênh vật lý và gửi đi Quá trình này còn được gọi là điều chế tạp âm vì tín hiệu đầu ra của nó giống như tạp âm nền Bộ nhận CDMA chỉ biết nhận và giải mã Công nghệ này có tính bảo mật tín hiệu cao hơn TDMA Theo các chuyên gia CNTT Việt Nam, xét ở góc độ bảo mật thông tin, CDMA có tính năng ưu việt hơn

Nhờ hệ thống kích hoạt thoại, hiệu suất tái sử dụng tần số trải phổ cao và điều khiển năng lượng, nên nó cho phép quản lý số lượng thuê bao cao gấp 5 - 20 lần so với công nghệ GSM Áp dụng kỹ thuật mã hóa thoại mới, CDMA nâng chất lượng thoại lên ngang bằng với hệ thống điện thoại hữu tuyến Đối với điện thoại di động, để đảm bảo tính di động, các trạm phát phải được đặt rải rác khắp nơi Mỗi trạm sẽ phủ sóng một vùng nhất định và chịu trách

nhiệm với các thuê bao trong vùng đó Với CDMA, ở vùng chuyển giao, thuê bao có thể liên lạc với 2 hoặc 3 trạm thu phát cùng một lúc, do đó cuộc gọi không bị ngắt quãng, làm giảm đáng kể xác suất rớt cuộc gọi

Một ưu điểm khác nữa của CDMA là nhờ sử dụng các thuật toán điều khiển nhanh và chính xác, thuê bao chỉ phát ở mức công suất vừa đủ để đảm bảo chất lượng tín hiệu, giúp tăng tuổi thọ của pin, thời gian chờ và đàm thoại Máy điện thoại di động CDMA cũng có thể sử dụng pin nhỏ hơn, nên trọng lượng máy nhẹ, kích thước gọn và dễ sử dụng

Trong thông tin di động, thuê bao di động di chuyển khắp nơi với nhiều tốc độ khác nhau, vì thế tín hiệu phát ra có thể bị sụt giảm một cách ngẫu nhiên Để bù cho sự sụt giảm này, hệ thống phải điều khiển cho thuê bao tăng mức công suất phát Các hệ thống analog và GSM hiện nay có khả năng điều khiển chậm và đơn giản, thuê bao không thể thay đổi mức công suất đủ nhanh, do đó phải luôn luôn phát ở công suất cao hơn vài dB so với mức cần thiết Tuy nhiên, để sử dụng mạng điện thoại di động CDMA, người dùng phải trang bị thiết bị đầu cuối phù hợp với công nghệ của mạng Trong vấn đề bảo mật, CDMA cung cấp chế độ bảo mật cao nhờ sử dụng tín hiệu trải băng phổ rộng Các tín hiệu băng rộng khó bị rò ra vì nó xuất hiện ở mức nhiễu, những người có ý định nghe trộm sẽ chỉ nghe được những tín hiệu vô nghĩa Ngoài ra, với tốc độ truyền nhanh hơn các công nghệ hiện có, nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai nhiều tùy chọn dịch vụ như thoại, thoại và dữ liệu, fax, Internet

Không chỉ ứng dụng trong hệ thống thông tin di động, CDMA còn thích hợp sử dụng trong việc cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến cố định với chất lượng ngang bằng với hệ thống hữu tuyến, nhờ áp dụng kỹ thuật mã hóa mới Đặc biệt các hệ thống này có thể triển khai và mở rộng nhanh và chi phí hiện thấp hơn hầu hết các mạng hữu tuyến khác, vì đòi hỏi ít trạm thu phát

Tuy nhiên, những máy điện thoại di động đang sử dụng chuẩn GSM hiện nay không thể sử dụng chuẩn CDMA Nếu tiếp tục phát triển GSM, hệ thống thông tin di động này sẽ phải phát triển lên WTDMA mới đáp ứng được nhu cầu truy cập di động các loại thông tin từ mạng Internet với tốc độ cao, thay vì với tốc độ 9.600 bit/giây như hiện nay, và so với tốc độ 144.000 bit/giây của CDMA

Trong hơn một tỷ thuê bao điện thoại di động trên thế giới, khoảng 863,6 triệu thuê bao sử dụng công nghệ GSM, 120 triệu dùng CDMA và 290 triệu còn lại dùng FDMA hoặc TDMA Khi tiến tới 3G, các hệ thống GSM và CDMA sẽ tiếp tục phát triển trong khi TDMA và FDMA sẽ chìm dần vào quên lãng Con đường GSM sẽ tới là CDMA băng thông rộng (WCDMA) trong khi CDMA sẽ là cdma2000

1.1.2 Mạng di động 3G

Từ thập niên 1990, Liên minh Viễn thông Quốc tế đã bắt tay vào việc phát triển một nền tảng chung cho các hệ thống viễn thông di động Kết quả là một sản phẩm được gọi là Thông tin di động toàn cầu 2000 (IMT-2000) Con số 2000 có nghĩa là sản phẩm này sẽ có mặt vào khoảng năm 2000, nhưng thực tế là chậm đến 2, 3 năm IMT-2000 không chỉ là một bộ dịch vụ, nó đáp ứng ước mơ liên lạc từ bất cứ nơi đâu và vào bất cứ lúc nào Để được như vậy, IMT-2000 tạo điều kiện tích hợp các mạng mặt đất và (hoặc) vệ tinh Hơn thế nữa, IMT-2000 cũng đề cập đến Internet không dây, hội tụ các mạng cố định và di động, quản lý di động (chuyển vùng), các tính năng đa phương tiện di động, hoạt động xuyên mạng và liên mạng

Như đã nói, các hệ thống 3G cần phải hoạt động trên một dải phổ đủ rộng và cung cấp được các dịch vụ thoại, dữ liệu, đa phương tiện Đối với một thuê bao hoạt động trên một ô siêu nhỏ (picrocell), tốc độ dữ liệu có thể đến 2,048 Mbit/s Với một thuê bao di động với tốc độ chậm hoạt động trên một ô cực

nhỏ (microcell), tốc độ dữ liệu có thể đạt tới 348 kbit/s Với một người dùng di động trên phương tiện giao thông hoạt động trên một ô lớn (macrocell), tốc độ dữ liệu có thể đạt tới 144 kbit/s Hình 1.2 minh hoạ mối quan hệ giữa các khu vực dịch vụ khác nhau của IMT-2000 Một phần quan trọng của hệ thống này là dịch vụ chuyển mạch gói dữ liệu Con đường tiến lên 3G từ 2G bắt đầu từ sự ra đời của các dịch vụ dữ liệu bùng nổ và theo gói

Con đường tiến tới 3G duy nhất của GSM là CDMA băng thông rộng Trên thị trường châu Âu, WCDMA được gọi là Hệ thống viễn thông di động

toàn cầu (UMTS) Trong cấu trúc dịch vụ 3G, cần có băng thông rất lớn và

như thế cần nhiều phổ tần hơn Các nhà cung cấp dịch vụ châu Âu dùng hơn 100 tỷ USD để mua phổ tần cho các dịch vụ 3G, các nhà cung cấp dịch vụ khác trên thế giới cũng đã phân bổ phổ 3G Ở Hoa Kỳ, FCC chưa thể nhanh chóng phân bổ bất cứ phổ nào cho các dịch vụ 3G Hoa Kỳ có khoảng 190MHz phổ tần phân bổ cho các dịch vụ vô tuyến di động trong khi phần còn lại của thế giới chỉ được phân bổ 400 MHz Vì thế có thể tin rằng sự phát triển lên 3G ở Hoa Kỳ sẽ rất khác với phần còn lại của thế giới

Hình 1.2 Các khu vực dịch vụ của IMT-2000

Để đến 3G có lẽ cần phải đi qua giai đoạn 2,5G Nói chung, 2,5G bao gồm một hoặc tất cả các công nghệ sau: Dữ liệu chuyển mạch gói tốc độ cao (HSCSD), Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS), Tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE)

- HSCSD là phương thức đơn giản nhất để nâng cao tốc độ Thay vì một khe thời gian, một trạm di động có thể sử dụng một số khe thời gian để kết nối dữ liệu Trong các ứng dụng thương mại hiện nay, thông thường sử dụng tối đa 4 khe thời gian, một khe thời gian có thể sử dụng hoặc tốc độ 9,6kbit/s hoặc 14,4kbit/s Đây là cách không tốn kém nhằm tăng dung lượng dữ liệu chỉ bằng cách nâng cấp phần mềm của mạng (dĩ nhiên là cả các máy tương thích HSCSD) Nhưng nhược điểm lớn nhất của nó là cách sử dụng tài nguyên vô tuyến Bởi đây là hình thức chuyển mạch kênh, HSCSD chỉ định việc sử dụng các khe thời gian một cách liên tục, thậm chí ngay cả khi không có tín hiệu trên đường truyền

Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống GPRS

- Giải pháp tiếp theo là GPRS và dường như là giải pháp được nhiều nhà cung cấp lựa chọn Tốc độ dữ liệu của nó có thể lên tới 115,2kbit/s bằng việc dùng 8 khe thời gian Nó được quan tâm vì là hệ thống chuyển mạch gói, do đó nó không sử dụng tài nguyên vô tuyến một cách liên tục mà chỉ thực hiện khi có một cái gì đó để gửi đi GPRS đặc biệt thích hợp với các ứng dụng phi thời gian thực như email, lướt Web Triển khai hệ thống GPRS thì tốn kém hơn hệ thống HSCSD Mạng này cần các thành phần mới, cũng như cần sửa đổi các thành phần hiện có nhưng nó được xem là bước đi cần thiết để tiến tới tăng dung lượng, dịch vụ Một mạng GSM mà không có khả năng GPRS sẽ không tồn tại lâu trong tương lai

Bước tiếp theo là cải tiến GSM thành tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự phát triển GSM hay toàn cầu (EDGE), tăng tốc độ dữ liệu lên tới 384kbit/s với 8 khe thời gian Thay vì 14,4kbit/s cho mỗi khe thời gian, EDGE đạt tới 48kbit/s cho một khe thời gian Ý tưởng của EDGE là sử dụng một phương pháp điều chế mới được gọi là 8PSK EDGE là một phương thức nâng cấp hấp dẫn đối với các mạng GSM vì nó chỉ yêu cầu một phần mềm nâng cấp trạm gốc Nó không thay thế hay nói đúng hơn cùng tồn tại với phương pháp điều chế khóa dịch tối thiểu Gaussian (GMSK), được sử dụng trong GSM, nên các thuê bao có thể tiếp tục sử dụng máy di động cũ của mình nếu không cần được cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn Xét trên khía cạnh kỹ thuật, cũng cần giữ lại GMSK cũ vì 8PSK chỉ có hiệu quả ở vùng hẹp, với vùng rộng vẫn cần GMSK Nếu EDGE được sử dụng cùng với GPRS thì sự kết hợp này được gọi là GPRS nâng cấp (EGPRS), còn sự kết hợp của EDGE và HSCSD được gọi là ECSD

WCDMA thực sự là một dịch vụ vô tuyến băng thông rộng sử dụng băng tần 5MHz để đạt được tốc độ dữ liệu lên tới 2Mbit/s Hiện tại cả châu Âu và

Nhật Bản đều đang thử nghiệm/triển khai WCDMA và công nghệ này đang tiến triển nhanh trên con đường thương mại hoá

CDMA không chuyển ngay sang 3G do thiếu phổ tần trên thị trường Hoa Kỳ Thị trường Hàn Quốc đã thử nghiệm cdma2000 trên phổ tần 3G của mình Cũng như đối với GSM, Hoa Kỳ và phần còn lại của thế giới có những con đường rất khác nhau để đi đến 3G.Cdma2000 được cấu trúc theo cách để cho phép nhiều mức dịch vụ 3G trên kênh IS-95 1,25MHz truyền thống Các dịch vụ này là cdma2000 1xRTT (một thời được gọi là công nghệ truyền dẫn vô tuyến kích thước kênh IS-95) Với công suất 3G tối đa, cdma2000 sử dụng một kênh 3,75 MHz, lớn gấp 3 lần kênh truyền thống, gọi là 3xRTT

Hệ thống 1xRTT sử dụng một sơ đồ điều chế hiệu quả hơn để tăng gấp đôi số lượng thuê bao thoại và tạo ra các kênh dữ liệu lên tới 144kbit/s Tốc độ này đã cho phép một số nhà cung cấp dịch vụ cho rằng mình đang thực hiện 3G Trong thực tế, tốc độ người dùng sẽ ở trong khoảng 50-60kbit/s Dữ liệu theo sơ đồ 1xRTT sẽ được chuyển mạch gói để đảm bảo sử dụng kênh hiệu quả

Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống UMTS

Tốc độ lên tới 2,4Mbit/s có thể đạt được bằng cách triển khai 1xEV-DO tức là dịch vụ chỉ có dữ liệu - không có thoại trên kênh này Khi 1xEV-DV được triển khai thì ta sẽ có kênh đa phương tiện thực sự

Hình 1.5 Cấu trúc hệ thống cdma 2000 1X

Hình 1.6 Cấu trúc hệ thống cdma 2000 1x EV DO

Xa hơn 1xEV-DV, 3xRTT là một kênh 3,75MHz trên phổ 5MHz - 1,25 MHz còn lại được dùng cho dải tần bảo vệ trên và dưới Có một số kịch bản hoạt động cho phổ 10MHz, 15MHz, và 20 MHz CDMA2000 3xRTT cßn cã tªn lµ `3x,` `MC-3x,` vµ `IMT-CDMA MultiCarrier 3x` Hình 1.7 so sánh kích thước kênh và tốc độ chip của UMTS và CDMA 1x và 3x

Như vậy là sẽ có không chỉ một con được đi tới các hệ thống vô tuyến di động 3G Và cũng rõ ràng là IMT-2000 đã được đông đảo chấp nhận Tuy nhiên, tính không tương thích của các công nghệ 3G, việc thiếu phổ tần, thiếu các ứng dụng và thiết bị 3G đặt ra một số vấn đề cần giải quyết Từ quan điểm công nghệ, cả WCDMA và cdma2000 đều sử dụng các kỹ thuật trải phổ rộng Tuy nhiên, chúng có cấu trúc kênh, mã chip, tốc độ chip và thủ tục đồng bộ hoá khác nhau Cần có thời gian để hài hoà các trở ngại công nghệ này Để giải quyết được vấn đề phổ trên toàn cầu sẽ tốn kém và mất nhiều thời gian Cuối cùng, cần có nhiều dịch vụ hơn nữa để thu hút khách hàng Chúng ta đã thấy sự phổ biến của email và tin nhắn đối với PDA và

Hình 1.7 Băng thông và tốc độ chip của UMTS và cdma 1x, 3xRTT

điện thoại di động Giờ đõy chỳng ta cần một loạt cỏc ứng dụng đa phương tiện đũi hỏi phải cú tốc độ dữ liệu của 3G

1.2 Cỏc nhà cung cấp dịch vụ 3G trờn thế giới

Bốn nhà cung cấp dịch vụ lớn dưới đây đang cho triển khai các dịch vụ khả dụng trên mạng 3G, tuy nhiên kế hoạch và thời điểm triển khai có khác nhau đôi chút Bốn nhà cung cấp dịch vụ 3G bao gồm: Cingular/AT&T Wireless (Cingular sát nhập với AT&T Wireless), T-Mobile, Verzon và Sprint Nextel

Các thiết bị di động hỗ trợ: Nokia 6651, Motorola A845

1.2.2 Sprint/Nextel

Mạng hiện tại: CDMA/1xRTT

Mạng 3G dự kiến: 1xEV-DO, tương lai sẽ nâng cấp lên 1xEV-DV

Kế hoạch 3G: Sprint vừa ký kết một hợp đồng trị giá 3 tỷ USD với Lucent, Motorola, và Nortel để nghiên cứu và thực hiện chiến lược 3G

3G của T-Mobile hiện không còn đủ, và chỉ có thể khắc phục đ−ợc vào năm 2007

1.3.1 Cỏc đặc điểm của NGN:

• Sử dụng cụng nghệ chuyển mạch mềm (SW-SoftSwitch) thay thế cỏc thiết bị tổng đài chuyển mạch phần cứng (hardware) cồng kềnh Cỏc mạng của từng dịch vụ riờng rẽ được kết nối với nhau thụng qua sự điều khiển của một thiết bị tổng đài duy nhất, thiết bị tổng đài này dựa trờn cụng nghệ SW được vớ như là 'trỏi tim' của NGN

• Mạng hội tụ thoại và dữ liệu, cố định và di động Cỏc loại tớn hiệu được

truyền tải theo kỹ thuật chuyển mạch gúi, xu hướng sắp tới đang tiến dần lờn sử dụng mạng IP với kỹ thuật QoS như MPLS

• Mạng băng thông rộng cung cấp đa dịch vụ: Mạng truyền dẫn quang với công nghệ WDM (Wavelength Division Multiplexing) hay DWDM (dense WDM)

1.3.2 Cấu trúc mạng NGN

Cấu trúc mạng NGN bao gồm 5 lớp chức năng: lớp truy nhập dịch vụ (service access layer), lớp chuyển tải dịch vụ (service transport/core layer), lớp điều khiển (control layer), lớp ứng dụng/dịch vụ (application/service layer) và lớp quản lý (management layer) Hình 1 thể hiện cấu trúc của NGN

1.3.2.1 Lớp ứng dụng/dịch vụ

Lớp ứng dụng và dịch vụ cung cấp các ứng dụng và dịch vụ như dịch vụ mạng thông minh IN (Intelligent network), trả tiền trước, dịch vụ giá trị gia tăng Internet cho khách hàng thông qua lớp điều khiển Hệ thống ứng dụng và dịch vụ mạng này liên kết với lớp điều khiển thông qua các giao diện mở API Nhờ giao diện mở này mà nhà cung cấp dịch vụ có thể phát triển các ứng dụng và triển khai nhanh chóng các dịch vụ trên mạng Trong môi trường phát triển cạnh tranh sẽ có rất nhiều thành phần tham gia kinh doanh trong lớp này

1.3.2.2 Lớp điều khiển

Lớp điều khiển bao gồm các hệ thống điều khiển kết nối cuộc gọi giữa các thuê bao thông qua việc điều khiển các thiết bị chuyển mạch (ATM+IP) của lớp chuyển tải và các thiết bị truy nhập của lớp truy nhập Lớp điều khiển có chức năng kết nối cuộc gọi thuê bao với lớp ứng

dụng/dịch vụ Các chức năng như quản lý, chăm sóc khách hàng, tính cước cũng được tích hợp trong lớp điều khiển

1.3.2.3 Lớp chuyển tải dịch vụ

Bao gồm các nút chuyển mạch (ATM+IP) và các hệ thống truyền dẫn (SDH, WDM), thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến các cuộc gọi giữa các thuê bao của lớp truy nhập dưới sự điều khiển của thiết bị điều khiển cuộc gọi thuộc lớp điều khiển Hiện nay đang còn nhiều tranh cãi khi sử dụng ATM hay MPLS cho lớp chuyển tải này

1.3.2.4 Lớp truy nhập dịch vụ

Bao gồm các thiết bị truy nhập cung cấp các cổng kết nối với thiết bị đầu cuối thuê bao qua hệ thống mạng ngoại vi cáp đồng, hoặc cáp quang, hoặc thông qua môi trường vô tuyến (thông tin di động, vệ tinh, truy nhập vô tuyến cố định )

Mối tương quan giữa cấu trúc phân lớp chức năng và các thành phần chính của mạng NGN được mô tả trong hình 1.9

Theo hình 2 ta nhận thấy, các loại thiết bị đầu cuối kết nối đến mạng truy nhập (Access Network), sau đó kết nối đến các cổng truyền thông (Media Gateway) nằm ở biên của mạng trục Thiết bị quan trọng nhất của NGN là SW nằm ở tâm của mạng trục (còn hay gọi là mạng lõi) SW điều khiển các chức năng chuyển mạch

và định tuyến qua các giao thức Các giao thức này sẽ được xem xét kỹ ở phần sau Hình 3 liệt kê chi tiết các thành phần trong mạng NGN cùng với các đặc điểm kết nối của nó đến các mạng công cộng (PSTN)

1.3.3.1 Thiết bị SW

Thiết bị SW là thiết bị đầu não trong mạng NGN Nó làm nhiệm vụ điều khiển cuộc gọi, báo hiệu và các tính năng để tạo một cuộc gọi trong mạng NGN hoặc xuyên qua nhiều mạng khác (ví dụ PSTN, ISDN) SW còn được gọi là Call Agent (vì chức năng điều khiển cuộc gọi của nó) hoặc Media Gateway Controller - MGC (vì chức năng điều khiển cổng truyền thông - Media Gateway)

Thiết bị SW có khả năng tương tác với mạng PSTN thông qua các cổng báo hiệu (Signalling Gateway) và cổng truyền thông (Media Gateway) SW điều khiển cuộc gọi thông qua các báo hiệu, có hai loại chính:

- Ngang hàng (peer-to-peer): giao tiếp giữa SW và SW, giao thức sử dụng là BICC hay SIP

Hình 1.9 Cấu trúc lớp và các thành phần chính trong mạng NGN

- Điều khiển truyền thông: giao tiếp giữa SW và Gateway, giao thức sử dụng là MGCP hay Megaco/H.248

1.3.3.2 Cổng truyền thông

Nhiệm vụ chủ yếu của cổng truyền thông (MG - Media Gateway) là chuyển đổi việc truyền thông từ một định dạng truyền dẫn này sang một định dạng khác, thông thường là từ dạng mạch (circuit) sang dạng gói (packet), hoặc từ dạng mạch analog/ISDN sang dạng gói Việc chuyển đổi này được điều khiển bằng SW MG thực hiện việc mã hóa, giải mã và nén dữ liệu thoại

Ngoài ra, MG còn hỗ trợ các giao tiếp với mạng điện thoại truyền thống (PSTN) và các giao thức khác như CAS (Channel Associated Signalling) và ISDN Tóm lại, MG cung cấp một phương tiện truyền thông để truyền tải thoại, dữ liệu, fax và hình ảnh giữa mạng truyền thống PSTN và mạng gói IP

1.3.3.3 Cổng truy nhập

Cổng truy nhập (AG - Access Gateway) là một dạng của MG Nó có khả năng giao tiếp với máy PC, thuê bao của mạng PSTN, xDSL và giao tiếp với mạng gói IP qua giao tiếp STM Ở mạng hiện nay, lưu lượng thoại từ thuê bao được kết nối đến tổng đài chuyển mạch PSTN khác bằng giao tiếp V5.2 thông qua cổng truy nhập Tuy nhiên, trong mạng NGN, cổng truy nhập được điều khiển từ SW qua giao thức MGCP hay Megaco/H.248 Lúc này, lưu lượng thoại từ các thuê bao sẽ được đóng gói và kết nối vào mạng trục IP

Hình 1.10: Các thành phần chính trong NGN

1.3.3.4 Cổng báo hiệu

Cổng báo hiệu (SG - Signalling Gateway) đóng vai trò như một cổng giao tiếp giữa mạng báo hiệu số 7 (SS7 - Signalling System 7, giao thức được dùng trong PSTN) và các điểm được quản lý bởi thiết bị SW trong mạng IP Cổng SG đòi hỏi một đường kết nối vật lý đến mạng SS7 và phải sử dụng các giao thức phù hợp SG tạo ra một cầu nối giữa mạng SS7 và mạng IP, dưới sự điều khiển của SW SG làm cho SW giống như một điểm nút bình thường trong mạng SS7 Lưu ý rằng SG chỉ điều khiển SS7; còn MG điều khiển các mạch thoại thiết lập bởi cơ chế SS7

1.3.3.5 Mạng trục IPv6

Mạng trục được thể hiện là mạng IP kết hợp công nghệ ATM hoặc MPLS Vấn đề sử dụng ATM hay MPLS còn đang tách thành 2 xu hướng Các dịch vụ và ứng dụng trên mạng NGN được quản lý và cung cấp bởi các máy chủ dịch vụ (server) Các máy chủ này hoạt động trên mạng thông minh (IN - Intelligent Network) và giao tiếp với mạng PSTN thông qua SS7

CHƯƠNG 2 MOBILE IP 2.1 Giao thức Mobile IP

IP di động do tổ̉ công tác IETF (Internet Engineering Task Force) đề xuất Đó là một bộ khuyến nghị và cơ chế của IP, giải quyết tính di động của điểm nút Internet, dựa vào các giao thức theo lớp OSI IP di động tạo cho các đầu cuối có khả năng di động tại các vị trí, đảm bảo cho đầu cuối tiến hành thông tin không phải khởi động lại hoặc sắp đặt lại các tham số IP

Mạng triển khai IP đã được thành lập trên 20 năm Phương pháp đánh số mạng ban đầu dựa theo IPv4 (giao thức Internet phiên bản 4) Mạng IP hiện nay triển khai một phần nào áp dụng IPv4, IETF đã đưa ra giao thức IPv6 có nhiều đặc điểm ưu việt hơn IPv4

Giao thức Mobile IP được nghiên cứu dựa trên nền tảng của giao thức TCP/ IP kế thừa các ưu điểm và khắc phục các nhược điểm cho phù hợp với tình hình phát triển hiện tại là giao thức cho phép các đầu cuối (Node) di chuyển trên mạng mà không phải thay đổi địa chỉ IP của Node Nói cách khác là các Node này có khả năng kết nối vào Internet tại bất cứ địa điểm nào trên thế giới

Nhưng cả IPv4 và IPv6 vẫn nhận định địa chỉ IP của Node xác định điểm kết nối vật lý duy nhất của Node với Internet Do vậy khi các máy tính chuyển vùng làm việc như từ Việt Nam sang Châu Âu thì bắt buộc những máy tính đó phải mang một địa chỉ IP mới và toàn bộ các liên hệ về dữ liệu hiện có sẽ bị hủy bỏ Do vậy một yêu cầu vô cùng cần thiết được đặt ra là phải nghiên cứu khả năng sao cho các máy tính phải có thể di chuyển, làm việc từ xa mà toàn bộ các mối liên hệ hiện có vẫn tồn tại hay là IP có khả năng di động, đó chính là nguyên nhân ra đời của giao thức Mobile IP (hay là IP có khả năng di động)

Một trạm làm việc hoặc bộ định tuyến có khả năng thay đổi điểm liên kết từ một Net hoặc Subnet với Net hoặc Subnet khác, có thể thay đổi vị trí của nó mà không thay đổi địa chỉ IP, nó có thể tiếp tục giao tiếp với các Node Internet khác ở bất cứ điểm này với địa chỉ IP (bất biến) của nó được gọi là Mobile Node Một Mobile Node phải có khả năng giao tiếp với các Node khác Khi nó ở mạng gốc thì những Node này hoạt động không cần đến các chức năng di động Khi Node làm việc ngoài mạng gốc thì các Node cần phải được cung cấp các chức năng di động

2.2 Truyền số liệu trong mạng Mobile IP

2.2.1 Kiến trúc mạng Mobile IP

Hình 2.1 mô tả kiến trúc mạng Mobile IP đơn giản, trong đó:

- Nút di động (Mobile Node - MN): Là đầu cuối di động IP, có thể thay đổi vị trí truy nhập mạng, nó duy trì liên tục địa chỉ IP và kết nối trên Internet - Nút tương ứng (Correspondant Node - CN): Có thể là đầu cuối di động hoặc cố định sẽ kết nối với MN

- Mạng gốc (Home network - HN): Là mạng quản lý trực tiếp địa chỉ IP của MN, tính di động của MN không có ý nghĩa trong mạng này

- Mạng ngoài (Foreign Network - FN): Là mạng MN di chuyển tới và không quản lý trực tiếp MN

- Địa chỉ quản lý (Care-Of-Address - CoA): Là một địa chỉ IP của FA, nó định nghĩa vị trí hiện tại của MN Các gói IP không được chuyển trực tiếp tới địa chỉ IP của MN mà phải chuyển tiếp qua FA

- Trạm ngoài (Foreign Agent - FA): Thuộc mạng FN, cung cấp các dịch vụ cho MN khi nó chuyển vùng tới FA có thể là bộ định tuyến cho MN và có CoA nên nó hoạt động như là điểm cuối và chuyển tiếp các gói số liệu tới MN

- Trạm gốc (Home Agent - HA): Thuộc mạng HN có thể được tích hợp vào Router, là hệ thống để MN đăng ký sử dụng dịch vụ Tất cả các gói số liệu truyền tới MN đều xuất phát từ đây HA biết vị trí hiện tại của MN thông qua CoA, nó duy trì số liệu đăng ký chuyển vùng cho các MN

Theo hình 2.1 MN đang ở mạng FN và trao đổi số liệu IP với Node CN Do yêu cầu che dấu tính di động của đầu cuối ở Mobile IP, nên CN không cần biết vị trí hiện tại của MN mà chỉ việc gửi số liệu tới địa chỉ IP của nó (1)

Vì không biết MN đang ở đâu, nên Internet định tuyến gói số liệu tới Router tương ứng ở mạng gốc (HN) của MN

Vì biết MN không ở HN (MN thông báo vị trí của mình cho HA), nên HA chặn gói số liệu CN gửi tới lại, vì thế số liệu không được chuyển vào mạng như thường lệ mà được mã hoá lại (thêm tiêu đề IP mới với CoA là địa chỉ đích và HA là nguồn) lên trước tiêu đề cũ rồi chuyển tới CoA (2) Khi nhận được gói số liệu FA sẽ sửa lại bằng cách loại bỏ phần tiêu đề do HA thêm vào và chuyển tới MN (3) Việc gửi số liệu từ MN tới CN đơn giản hơn, bình thường như MN đang ở HN (4) FA chuyển các gói số liệu của MN giống như đối với các đầu cuối khác trong FN

2.2.2 Thông báo và tìm kiếm trạm điều khiển

Hình 2.1 Kiến trúc mạng Mobile IPv6.

Vấn đề nẩy sinh khi MN di chuyển khỏi mạng HN là làm thế nào để xác định được trạm FA mà MN chuyển tới và cách thức MN lấy thông tin sau khi nó chuyển vùng Để giải quyết vấn đề này các trạm điều khiển (FA, Router và HA) phải đều đặn quảng bá lên mạng các thông tin về sự hiện diện của mình thông qua các bản tin thông báo đặc biệt (theo giao thức ICMP) Hình 2.2 minh họa cấu trúc bản tin thông báo Phần trên là mô tả bản tin ICMP còn phần mở rộng bên dưới mô tả các thông tin về tính di động, ở đây không mô tả chi tiết các trường

MN có thể nhận được các bản tin thông báo từ FA hoặc HA, nhờ đó mà nó xác định được vị trí hiện tại của mình Nếu không nhận được bản tin thông báo của các trạm điều khiển trên mạng, thì MN phải gửi yêu cầu cho HA đề nghị cung cấp thông tin trạm điều khiển trên mạng Về nguyên tắc MN có thể liên tục gửi các bản tin yêu cầu để tìm trạm điều khiển, nên phải đề phòng việc có quá nhiều bản tin như thế phát ra gây nên tình trạng nghẽn mạng Ngoài ra, MN có thể tìm kiểm trạm điều khiển mới vào mọi thời điểm, kể cả khi đang bận, nghĩa là nó vẫn có thể vừa tìm kiếm kết nối mới tốt hơn mà vẫn

Hình 2.2 Minh họa cấu trúc bản tin thông báo

trao đổi thông tin trên kết nối hiện tại Trường hợp này xẩy ra khi MN đang di chuyển qua nhiều cell của các mạng di động khác nhau Sau khi các trạm điều khiển thông báo lên mạng thông tin của chúng và MN thu nhận được các thông tin này, thì nó có thể xác định được vị trí của mình (đang ở HN hoặc FN) và năng lực của trạm điều khiển Nếu lúc này MN đang ở FN thì nó phải đăng ký với HA như trình bày ở dưới đây

Một vấn đề cần quan tâm là việc sử dụng tiêu chuẩn như RFC 1256 cho mục đích khác với ban đầu (thông báo trạm điều khiển) là nguyên nhân làm nẩy sinh một số vấn đề Cụ thể, khoảng thời gian bé nhất 3s giữa hai thông báo chỉ có thể phù hợp đối với mạng cố định vì sự biến động mạng không cao, còn ở mạng không dây có các MN đang di chuyển và đặc biệt là các ứng dụng yêu cầu dòng số liệu liên tục, thì khoảng thời gian 3s này là quá dài MN phải đợi ít nhất 3s để thông báo tình trạng không thể tìm được trạm điều khiển

2.2.3 Đăng ký

Sau khi nhận được CoA, MN phải đăng ký với và thông báo cho HA biết vị trí hiện tại của mình để HA chuyển tiếp số liệu Việc đăng ký có thể được thực hiện theo hai cách, tuỳ thuộc vào vị trí hiện tại của CoA, đó là:

- CoA thuộc FA: thủ tục đăng ký được minh hoạ như hình 2.3a MN gửi yêu cầu đăng ký của nó tới FA để chuyển tiếp cho HA Lúc này HA thiết lập mối liên kết di động gồm địa chỉ IP gốc của MN và CoA hiện tại Ngoài ra mối liên kết di động chứa cả khoảng thời gian đăng ký đã thoả thuận Việc đăng ký sẽ tự động hết hiệu lực và bị huỷ bỏ sau khoảng thời gian cho phép này, vì vậy MN cần đăng ký trước khi hết thời gian cho phép Cơ chế này cần

thiết để tránh mối liên kết di động không sử dụng nữa Sau khi thiết lập mối liên kết di động, HA gửi bản tin trả lời tới FA đã yêu cầu

- CoA đồng vị trí (CoA co-located): Việc đăng ký đơn giản hơn như hình 2.3b MN gửi yêu cầu đăng ký trực tiếp tới HA và HA sẽ gửi lại bản tin trả lời

Khi sử dụng giao thức UDP để đăng ký, thì địa chỉ nguồn IP gói số liệu được đặt tới địa chỉ giao tiếp của MN, địa chỉ đích IP đặt tới địa chỉ giao tiếp của FA hoặc HA (tuỳ thuộc vào vị trí của CoA) Cổng UDP đích là 434

Trong môi trường di động, hiệu suất mạng khi sử dụng UDP cao hơn so với TCP, nên UDP thường được sử dụng

2.2.4 Kênh số liệu và mã hoá

Khi sử dụng kênh số liệu để truyền tin, các gói số liệu sẽ được mã hoá ở đầu vào và giải mã ở đầu ra, nội dung gói số liệu không bị thay đổi khi đi qua kênh số liệu này

Mã hoá là việc lấy phần tiêu đề và nội dung của gói số liệu đặt vào phần số liệu của gói mới Ngược với mã hoá, quá trình giải mã sẽ tách phần tiêu đề và nội dung đã ghép vào ra Mã hoá và giải mã thường được sử dụng khi trao đổi

Hình 2.3 Minh hoạ thủ tục đăng ký

số liệu giữa các lớp với nhau, tuy nhiên ở Mobile IP, các quá trình này lại được thực hiện trong việc vận chuyển số liệu trên cùng một lớp

Hình 2.4 minh họa các xử lý của HA tại đầu vào kênh số liệu HA lấy gói số liệu gốc với MN là đích nhận, chèn vào phần dữ liệu của gói mới và đặt tiêu đề IP mới Bằng cách này gói số liệu sẽ được định tuyến tới CoA Tiêu đề mới gọi là tiêu đề Ngoài Ngoài ra còn có tiêu đề trong để nhận dạng tiêu đề gốc Có một số cách mã hoá cần cho việc vận chuyển số liệu trong kênh số liệu giữa HA và CoA là IP-in-IP, cực tiểu, định tuyến chung,

- Mã hoá in-IP : ở giao thức Mobile IP áp dụng phương thức mã hoá in-IP Hình 2.5 minh hoạ cấu trúc gói số liệu trong ống dẫn (đã mã hoá) Nói chung các trường đều tuân theo tiêu chuẩn giao thức IP định nghĩa ở RFC 791, chỉ có các trường sau có ý nghĩa đặc biệt cho Mobile IP, đó là trường

IP-Hình 2.5 Minh hoạ cấu trúc gói số liệu trong ống dẫn Hình 2.4 Các xử lý của HA tại đầu vào kênh số liệu

Ver - Version của giao thức, IHL biểu thị tiêu đề Ngoài, TOS là copy của tiêu đề Trong, IP-in-IP kiểu của giao thức, các trường khác chứa địa chỉ IP của HA và CoA Nếu không có các lựa chọn tiếp theo tiêu đề Ngoài, thì tiêu đề Trong bắt đầu với các trường giống như mô tả ở trên Các phần còn lại của tiêu đề này đều không thay đổi trong suốt quá trình mã hoá

- Mã hoá định tuyến chung (GRE): Trong khi mã hoá IP-in-IP và cực tiểu chỉ áp dụng cho Mobile IP thì mã hoá chung có thể áp dụng cho cả các giao thức lớp mạng khác GRE cho phép mã hoá gói số liệu của một giao thức thành gói số liệu của giao thức khác

Hình 2.6 mô tả quá trình mã hoá định tuyến chung Phần tiêu đề và dữ liệu gói số liệu của một giao thức được lấy ra và đặt vào phần dữ liệu gói mới của giao thức khác, phần tiêu đề của gói mới cấu tạo bởi tiêu đề ngoài và GRE

2.2.5 Tối ưu

Như trình bày ở trên, việc trao đổi số liệu giữa hai Node di động đăng ký ở các vùng khác nhau phải đi qua HA và CoA tương ứng Trường hợp hai Node này di chuyển đến cùng một vùng và liên lạc với nhau thì với các thủ tục trao đổi số liệu như trên là không hiệu quả, chưa tối ưu (Hai Node gần nhau nhưng số liệu vẫn phải chuyển đi từ vùng này sang vùng kia) Theo nguyên tắc của giao thức Mobile IP, tất cả các gói số liệu chuyển tới MN đều phải chuyển

Hình 2.6 Mô tả quá trình mã hoá định tuyến

tiếp qua HA, đây là một trong những nguyên nhân làm tăng lưu lượng mạng giữa CN, HA và CoA

Phương pháp tối ưu việc định tuyến là HA thông báo cho CN biết vùng hiện tại của MN, qua đó CN lưu vùng này vào bảng định tuyến nội bộ của mình Để thực hiện được điều này, phải bổ xung cho giao thức Mobile IP các bản tin như sau:

- Yêu cầu liên kết (Binding request) - Khi một Node nào đó muốn biết vị trí hiện tại của MN, nó chỉ việc gửi yêu cầu liên kết tới HA HA kiểm tra xem MN có cho phép thông báo vị trí của nó hay không, nếu được phép HA sẽ gửi bản tin cập nhật liên kết cho Node yêu cầu

- Cập nhật liên kết (Binding update) - Bản tin này thông báo vị trí hiện tại của MN, bao gồm địa chỉ IP cố định của MN và CoA, và có thể cả yêu cầu xác nhận

- Xác nhận liên kết (Binding acknowledgement) - Nếu có yêu cầu, Node yêu cầu liên kết phải gửi bản tin xác nhận này cho HA sau khi nhận được bản tin cập nhật liên kết

- Cảnh báo liên kết (Binding warning) - Trong khi giải mã gói số liệu đối với MN mà Node yêu cầu không biết FA hiện tại của MN, thì nó gửi bản tin cảnh báo này tới HA của MN Bản tin này gồm có địa chỉ IP của MN và địa chỉ IP của Node đang gửi số liệu tới MN Lúc này HA cần gửi bản tin cập nhật liên kết tới Node này

Hình 2.7 minh họa 4 bản tin này cùng với trường hợp MN thay đổi FA Đầu tiên CN yêu cầu HA thông báo vị trí hiện tại của MN, nếu được phép HA sẽ thông báo địa chỉ IP cố định của MN và CoA thông qua bản tin cập nhật CN xác nhận cập nhật liên kết và lưu các thông tin nhận được vào bảng định tuyến của nó Bây giờ CN có thể mã hoá dữ liệu và truyền trực tiếp tới FA

hiện tại của MN để nó chuyển tiếp cho MN Lúc này nếu MN di chuyển sang vùng khác thì nó phải cập nhật lại FA mới bằng bản tin đăng ký FA (bao gồm cả địa chỉ FA cũ) đồng thời thông báo để HA cập nhật lại cơ sở dữ liệu Ngoài ra FA mới thông báo cho FA cũ về việc MN đăng ký lại FA Ngoài thông tin này ra FA cũ không biết vùng mới của MN và vì vậy CN sẽ chuyển số liệu cho MN thông qua FA cũ để nó chuyển tiếp cho FA mới Quá trình chuyển tiếp số liệu này là hình thức tối ưu hoá khác của Mobile IP nhằm cung cấp tính năng chuyển vùng mềm (smooth handovers) Nếu không có tính năng này thì số liệu có thể bị mất khi MN chuyển vùng Cuối cùng, FA cũ gửi bản tin cảnh báo tới HA yêu cầu thông báo cho CN về vùng mới của nó Sau khi gửi bản tin xác nhận CN có thể gửi số liệu trực tiếp tới FA mới

Thoáng nhìn chiều truyền số liệu từ MN tới CN ở hình 2.1 có vẻ đơn giản, MN có thể gửi số liệu trực tiếp tới CN bình thường như quy định trong giao thức IP tiêu chuẩn Tuy nhiên thực tế có một số vấn đề liên quan như sau:

Hình 2.7 Minh họa 4 bản tin: Yêu cầu, cập nhật , xác nhận , cảnh báo liên

- Tường lửa (Firewalls) - Hầu hết các công ty, tổ chức bảo vệ mạng nội bộ của mình từ Internet nhờ hệ thống Firewall Nhờ có Firewall, Quản trị mạng có thể thiết lập loại bỏ sự truy nhập từ một số địa chỉ nào đó, nghĩa là Firewall chỉ cho phép số liệu từ các địa chỉ hợp lệ đi qua Tuy nhiên MN vẫn gửi số liệu với địa chỉ IP cố định mà mạng FN không quản lý Hơn nữa Firewall đôi khi phải loại bỏ số liệu có chứa địa chỉ nguồn của các máy tính trên Internet nhằm ngăn ngừa khả năng chúng có thể sử dụng địa chỉ nội bộ để trở thành thành viên trong mạng Điều này dẫn đến MN không thể gửi số liệu tới máy tính trong cùng mạng HN của nó

- Truyền số liệu tới nhóm xác định (Multicast) - kênh số liệu (tunnel) theo chiều ngược lại từ MN tới CN cần thiết để MN tham gia vào nhóm Multicast Trong khi các Node trong mạng HN có thể tham gia nhóm Multicast, nhưng các node MN ở mạng FN không thể truyền số liệu Multicast giống như chúng phát ra từ mạng HN

- TTL (Time To Live) - MN gửi số liệu với TTL nào đó trong khi vẫn ở mạng HN TTL có thể đủ thấp để không gói số liệu nào có thể truyền được ra ngoài vùng nào đó Nếu lúc này MN di chuyển sang mạng FN thì TTL này có thể cũng thấp để các gói số liệu không truyền được ra ngoài mạng FN

RFC 2344 định nghĩa kênh số liệu ngược là phần mở rộng của giao thức Mobile IP để khắc phục những vấn đề nêu trên Kênh số liệu ngược tạo ra định tuyến nhập nhằng ở hướng ngược lại RFC 2344 chưa đưa ra được giải pháp để khắc phục vấn đề định tuyến nhập nhằng này, bởi vì nó không biết liệu CN có thể giải mã được các gói số liệu hay không Hơn nữa Mobile IP không hoạt động cùng với các Node có giao thức khác

Kênh số liệu ngược làm nẩy sinh một số vấn đề an toàn mà cho đến nay chưa có giải pháp xử lý Ví dụ, các kênh số liệu bắt đầu từ mạng của một công ty ra Internet có thể bị Hacker chặn lại và lợi dụng để gửi số liệu qua

Firewall Như vậy liệu các công ty có cho phép thiết lập kênh số liệu mà không có sự kiểm soát của Firewall hay không? Nếu cho phép thì các công ty này vô hình dung đã thiết lập mạng riêng đặc biệt cho phép các thuê bao di động xâm nhập mạng của mình mà không có sự kiểm soát của Firewall

Tóm lại, Mobile IP là giao thức hỗ trợ tính di động trong mạng IP, nó định nghĩa thêm hai phần tử mạng là HA và FA HA quản lý các địa chỉ IP cố định của các MN còn FA liên kết tới địa chỉ IP gọi là CoA Các gói số liệu được HA chặn lại, mã hoá và gửi tới FA thông qua địa chỉ CoA FA giải mã số liệu rồi chuyển tiếp cho MN Như vậy FA là thực thể IP có liên quan chặt chẽ với MN nhất ở mạng di động đó là các trạm gốc BSC hoặc các router tích hợp trong BSC như IWF ở mạng CDMA Khi di chuyển giữa các mạng, MN phải đăng ký với HA và FA của nó để các thiết bị này có thể xác định được địa chỉ IP mới của MN Mỗi MN sẽ có hai địa chỉ IP, một để định vị và một để nhận dạng

Ngày nay tất cả các đầu cuối dựa trên các công nghệ có dây và không dây đều có thể liên lạc được với nhau, đó là nhờ có giao thức Mobile IP Nó cung cấp khả năng di động trên mạng Internet mà không phải thay đổi các hệ thống cố định hiện tại Tuy nhiên giao thức này vẫn để lại một số vấn đề chưa giải quyết được, đó là vấn đề an toàn, hiệu suất mạng, chất lượng dịch vụ,

2.3 Mobile IPv6 (MIPv6)

MIPv6 là một phiên bản nâng cấp và hoàn thiện so với MIPv4 Muốn hiểu được đặc điểm của MIPv6 (IP di động phiên bản 6) ta cần biết mục đích thiết kế của MIPv6 hướng tới đó là thông báo kịp thời những sự khác biệt giữa các nút một cách chân thực và không làm giảm sút sự an toàn Trong Mobile IPv6, không còn khái niệm FA MN luôn được gán địa chỉ CoA duy nhất trên mạng khách (đúng hơn là duy nhất trên mạng Internet toàn cầu) MN sử dụng

địa chỉ CoA làm địa chỉ nguồn trong phần tiêu đề của gói tin gửi đi Các gói tin gửi đến MN bằng cách sử dụng tiêu đề định tuyến, trong gói tin IPv6, thay vì sử dụng cách đóng gói vào một gói tin IP khác như trước đây

MIPv6 nhằm giải quyết đồng thời hai vấn đề Thứ nhất, nó cho phép chuyển giao liên tục mặc dù MN chuyển động và thay đổi địa chỉ IP Thứ hai, nó cho phép gói tin tìm đến một nút thông qua địa chỉ IP tĩnh tại, địa chỉ trạm gốc (HA) Nói một cách khác, MIPv6 chú trọng tới bản chất nhận dạng của các địa chỉ IP Ta có thể nhắc lại ý tưởng của MIP (cả MIPv4 và MIPv6) là cho phép HA làm việc với nút di động MN tực như đang tĩnh tại Bất cứ lúc nào MN đi khỏi mạng gốc thì HA nhận gói tin gửi đến nút này và chuyển tiếp gói này tới địa chỉ quản lý CoA Lớp vận chuyển sử dụng địa chỉ trạm gốc HA như nhận dạng “tĩnh” của nút di động MN Hình 2.8 phác họa cơ chế hoạt động của ý tưởng cơ bản này

Hình 2.8 Phác họa cơ chế hoạt động của MIPv6

Theo sơ đồ này thì gói tin chuyển theo đường tunnel thông qua HA, nên đường truyền dài hơn và dẫn tới chất lượng giảm Để khắc phục nhược điểm này MIPv6 đưa ra việc tối ưu hoá định tuyến RO (Route Optimization) khi dùng đường truyền tối ưu, nút di động gửi các địa chỉ quản lý CoA của nó (đang ở) đến nút gửi bằng các tin báo cập nhật liên quan tới việc định tuyến BU (Binding Update)

Khi MIPv6 dùng tối ưu hoá định tuyến RO, nút gửi thực hiện hai nhiệm vụ: thứ nhất nó là nguồn của gói tin gửi; thứ hai, nó hoạt động như bộ router đầu tiên cho các gói thông báo định tuyến Các gói này rời khỏi nút gửi là nguồn được định tuyến đến các địa chỉ quản lý CoA Mỗi gói bao gồm một mào đầu định tuyến (routing header), chứa địa chỉ gốc HoA của các nút di động Theo lý thuyết, gói tin được định tuyến đến CoA và tiếp theo qua kênh ảo, gói tin được chuyển từ CoA đến HoA Mối nguy hiểm nhất trong MIPv6 là địa chỉ bị “mất cắp”, nghĩa là hacker dóng giả là một nút nào đó tại một địa chỉ đã cho rối “lấy cắp” các lưuợng tin gửi đến địa chỉ đó

MIPv6 thực hiện bảo mật và tối ưu hoá định tuyến để ngăn ngừa hoặc giảm nhẹ số vụ mất cắp Độ an toàn của MIPv6 không chỉ dựa vào giao thức mật mà truyền thông mà còn dựa vào hạ tầng cấu trúc định tuyến để MN được tiếp cận thông qua địa chỉ trạm gốc HoA và cả địa chỉ quản lý CoA Độ đảm bảo an toàn và tối ưu hoá định tuyến, cơ chế hoạt động của MIPv6 dựa theo cách định tuyến có phản hồi RR (Return

Hình 2.9 Luồng vận chuyển của gói tin

Routability) Luồng vận chuyển của gói tin như trên hình 2.9 Nó gồm có hai lựa chọn: lựa chọn địa chỉ trạm gốc HoA và lựa chọn địa chỉ quản lý CoA

Việc lựa chọn định tuyến RR thực hiện bằng hai cặp tin báo (thử địa chỉ, cập nhật tin địa chỉ ) và (thử địa chỉ quản lý, cập nhật tin địa chỉ) Các gói thử khởi tạo địa chỉ gốc HoT và thử khởi tạo địa chỉ quản lý CoT chỉ cần dùng để kích thích các gói thử Gói cập nhật địa chỉ BU trả lời cho cả hai phép thử Quá trình thử địa chỉ HoA như sau:

Việc lựa chọn địa chỉ gồm có thử địa chỉ gốc HoT và cập nhật BU HoT được chuyển qua tunnel từ trạm gốc HA đến nút di động MN Nội dung của HoT là một hàm số gồm địa chỉ gốc của HoT có kèm theo khoá bảo mật Kcn (chỉ có nút gửi biết mật khoá Kcn) Gói HoT được gửi theo hai đường của Internet Đường thứ nhất, từ điểm gửi đến trạm gốc HA, trên đường này, gói không được bảo vệ, bất kỳ hacker nào cũng biết nội dung Tiếp theo HA gửi tiếp gói đến MN, trên đường gói được truyền trong tunnel có bảo vệ để không ai biết được nội dung gói

Quá trình thử địa chỉ quản lý CoA cũng tương tự Chỉ khác là gói được gửi trực tiếp từ địa chỉ CoA của nút di động MN Nội dung của CoT là một hàm số có kèm theo hệ số bảo mật Kcn Gói CoT chuyển trực tiếp từ nút gửi đến nút di động MN Trên đường gói không được bảo vệ dễ bị các hacker ở gần điểm gửi, trên đường truyền hoặcc gần điểm MN tấn công

Khi Mn nhận được cả hai tin HoT và CoT, nó tạo r4a khoá ràng buộc Kbm Khoá Kbm được dùng để bảo vệ tin cập nhật BU, cho đến khi Mn di động và cần có một CoA mới Khi nhận được tin BU đầu tiên, nút gửi đi qua một quá trình phức tạp Đó là đảm bảo cho MN đã vừa nhận được HoT và CoT đó là do HoA và CoA yêu cầu